Мышляева И. М. – Цифровая схема – техника (2005г.)

ОРГАНИЗАЦИЯ ЭВМ И СИСТЕМ

(Фоменко Наталья Константиновна)

Литература:

Мышляева И. М. – Цифровая схема – техника (2005г.)

Тихонов В. А. – Организация ЭВМ и систем (2008г.)

Александридий Н. – Организация ЭВМ и систем (2010г.)

Раздел 1. Основы организации ЭВМ

 

История развития ЭВМ

Развитие ЭВМ

При рассмотрении поколений ЭВМ будем учитывать следующие отличительные черты:

1. Элементная база;

2. Ввод/ вывод данных;

3. Программное обеспечение и ОС;

4. Быстродействие;

5. Другие;

 

· 1 Поколение (50 года 20 века)

Логические схемы создавались на дискретных радиодеталях и электронных лампах с нитью накала. Отсутствовала ОС. В оперативных запоминающих устройствах использовались магнитные барабаны, электронно-лучевые трубки. В качестве внешних запоминающих устройств применялись накопители на магнитных лентах, перфолентах, перфокартах и штекерных коммутаторах. Для каждой задачи существовал отдельный компьютер. Программирование работы ЭВМ этого поколения выполнялось в двоичной системе счисления на машинном языке, т. е. программы были жестко ориентированы на конкретную модель машины. В 1956 году был создан первый язык программирования для математических задач – язык Фортан, а в 1958 году – универсальный язык Алгол.

· 2 Поколение (1955-1965 гг)

Логические схемы строились на дискретных полупроводниках и магнитных элементах (транзисторах, микро трансформаторах). Стали применяться внешние накопители на жестких магнитных дисках. Появились языки высокого уровня (не требующие знания внутреннего устройства компьютера). В 1964 году появился первый монитор для компьютеров –IBM 2250. В машинах второго поколения были впервые реализованы режимы пакетной обработки и телеобработки информации.

· 3 Поколение (1965-1970 гг)

В 1958 году изобретают малую интегральную схему, в которой на небольшой площади можно было размещать десятки транзисторов. Уже в конце 60-х годов интегральные схемы стали применяться в компьютерах. Развивается ОС. Логические схемы ЭВМ 3-го поколения уже полностью строились на малых интегральных схемах. Снизилась потребляемая машиной мощность, возросли надежность и быстродействие ЭВМ. Стало возможным выполнять на компьютере сразу несколько программ. В оперативных запоминающих устройствах стали использоваться миниатюрные сердечники. В качестве внешних запоминающих устройств широко стали использоваться дисковые накопители. Появились еще 2 уровня запоминающих устройств: сверхоперативные запоминающие устройства, имеющие огромное быстродействие, и быстродействующая кэш-память. В вычислительных машинах 3 поколения значительное внимание уделяется уменьшению трудоемкости программирования, эффективности исполнения программ и улучшению общения оператора с машиной. Это обеспечивается мощными операционными системами, режимами работы с разделение машинного времени, мультипрограммными режимами работы и новыми интерактивными режимами общения. Большое внимание уделено повышению надежности и облегчению технического обслуживания ЭВМ.

· 4 Поколение (1970-1984)

Строилось все на больших интегральных микросхемах. Машины предназначались для повышения производительности труда в науке, производстве, здравоохранении, обслуживании и в быту. Повысилась надежность и быстродействие ЭВМ, а также стала понижаться ее стоимость. Машины стали работать с меньшим вмешательством человека в процесс работы.

· 5 Поколение (с 1984 до наших дней)

Переход к компьютерам 5 поколения предполагал переход к новым видам компьютеров, ориентированных на создание искусственного интеллекта. Считалось что в таких компьютерах будет использоваться так называемый «интеллектуальный интерфейс», задача которого – понять текст, написанный на естественном языке, или речь, и перевести изложенное условие задачи в работающую программу. Основные требования к компьютерам 5 поколения: создание развитого интерфейса (распознавание речи, образов), развития логического программирования для создания баз знаний (данных) и систем искусственного интеллекта, создание новых технологий в производстве вычислительной техники, создание новых видов компьютеров. Для создания программ, обеспечиващих заполнение, обновление баз данных и работу с ними, были созданы специальные объектно ориентированные и логические языки программирования, обеспечивающие наибольшие возможности по сравнению с обычными языками.

 

Основные понятия в области ЭВМ и систем

Вычислительная техника (ВТ) – совокупность технических и математических средств, методов и приемов, используемых для облегчения и ускорения решения трудоемких задач, связанных с обработкой информации путем частичной или полной автоматизации вычислительного процесса; отрасль техники, которая занимается разработкой, изготовлением и эксплуатацией вычислительных машин.

 

Вычислительная машина (ВМ) – комплекс технических и программных средств, предназначенных для автоматизации, подготовки и решения задач пользователя.

 

Вычислительная система (ВС) – совокупность взаимосвязанных и взаимодействующих вычислителей (процессоров) и вычислительных машин периферийного оборудования (мышка, сканер, принтер и тд.) и программного обеспечения, предназначенного для подготовки и решения задач пользователей.

 

Электронная вычислительная машина (ЭВМ) – комплекс технических средств, где основные и функциональные элементы (логические, запоминающие, индикационные и др.) выполнены на электронных элементах, предназначенный для автоматической обработки информации в процессе решения вычислительных и информационных задач.

Поколения ВМ – это сложившееся в последнее время разбиение ВМ на классы, определяемые элементной базой.

 

Поколения компьютеров – это нестрогая классификация ВС по степени развития аппаратных и в последнее время программных средств.

Структура и типы ЭВМ

Структура ЭВМ

Структура ЭВМ представляет собой абстрактную модель, которая устанавливает состав, порядок и принципы взаимодействия основных функциональных частей ЭВМ без учета их реализации.

P 1nyZenxX6v5urjYgIs7x3wy/+IwOJTPt/YlMEL2C1UvKXaKCp3TJgh1Zumax/9vIspDXHcofAAAA //8DAFBLAQItABQABgAIAAAAIQC2gziS/gAAAOEBAAATAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAABbQ29udGVu dF9UeXBlc10ueG1sUEsBAi0AFAAGAAgAAAAhADj9If/WAAAAlAEAAAsAAAAAAAAAAAAAAAAALwEA AF9yZWxzLy5yZWxzUEsBAi0AFAAGAAgAAAAhAJBbS3X4AQAABgQAAA4AAAAAAAAAAAAAAAAALgIA AGRycy9lMm9Eb2MueG1sUEsBAi0AFAAGAAgAAAAhABTC8UDdAAAACwEAAA8AAAAAAAAAAAAAAAAA UgQAAGRycy9kb3ducmV2LnhtbFBLBQYAAAAABAAEAPMAAABcBQAAAAA= " strokecolor="#4f81bd [3204]" strokeweight="2pt"> 1 yfJtFp4/V7ttvZs2k9f6+mp+fACRcE7/YviNz9Gh4kyNP5CNYtRwr+64S2KQKx5Y8XdpNCxvGcmq lOcdqh8AAAD//wMAUEsBAi0AFAAGAAgAAAAhALaDOJL+AAAA4QEAABMAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAA AFtDb250ZW50X1R5cGVzXS54bWxQSwECLQAUAAYACAAAACEAOP0h/9YAAACUAQAACwAAAAAAAAAA AAAAAAAvAQAAX3JlbHMvLnJlbHNQSwECLQAUAAYACAAAACEAgzFcKv8BAAAfBAAADgAAAAAAAAAA AAAAAAAuAgAAZHJzL2Uyb0RvYy54bWxQSwECLQAUAAYACAAAACEAJi1ZN94AAAALAQAADwAAAAAA AAAAAAAAAABZBAAAZHJzL2Rvd25yZXYueG1sUEsFBgAAAAAEAAQA8wAAAGQFAAAAAA== " strokecolor="#4f81bd [3204]" strokeweight="2pt">

(стрелка)–коды данных и команд

(пункт стрелка)-управляющие сигналы

 

ЭВМ могут отличаться друг от друга конструктивным исполнением, быстродействием, точностью, но все они содержат 5 функциональных устройств:

· АЛУ – арифметико-логическое устройство

· УУ – устройство управления

· ЗУ – запоминающее устройство

· Увв – устройство ввода информации

· Увыв – устройство вывода информации

Типы компьютеров

По условиям эксплуатации компьютеры делятся на 2 типа:

1. Офисные (универсальные) – предназначенные для решения широкого класса задач при нормальных условиях эксплуатации.

2. Специальные – служат для решения более узкого класса задач или даже одной задачи, требующей многократного решения и функционируют в особых условиях эксплуатации. Машинные ресурсы специальных компьютеров часто ограничены, однако их узкая ориентация позволяет реализовать заданный класс задач наиболее эффективно.

 

По производительности и характеру использования компьютеры можно условно разделить на 4 типа:

1. Мини–компьютеры – машины, конструктивно выполненные в одной стойке, т. е. занимающие объем порядка 0,5 кубометра.

2. Микрокомпьютеры (в том числе и персональные компьютеры) – компьютеры, в которых центральный процессор выполнен в виде микропроцессора.

3. Мэйнфрэймы – предназначены для решения широкого класса научно-технических задач и являются сложными и дорогими машинами. Их целесообразно применять в больших системах при наличии не менее 200-300 рабочих мест. Централизованная обработка данных на мэйнфрэйме обходится примерно в 5-6 раз дешевле, чем распределенная обработка при клиент-северном подходе.

4. Суперкомпьютеры – сверхбыстродействующие машины, которые представляют собой многопроцессорные и (или) многомашинные комплексы, работающие на общую память и общее поле внешних устройств.

 

Понятие «информации»

Слово «информация» происходит от латинского и означает сведение, разъяснение, ознакомление.

Понятие информации является базовым, т. е. должно быть пояснено на примерах или выявлено путем их сопоставления с содержанием других понятий.

Понятие «информация» является общенаучным, так как используется в различных науках и при этом в каждой науке это понятие связано с различными системами понятий.

1. Философское понятие информации: «информация есть отражение реального мира». Человек получает информацию с помощью органов чувств: 80-90% с помощью зрения, 10-15% с помощью слуха, 1-2% с помощью других органов чувств (обоняние, осязание и вкус).

Информация – это сведения, изменяющие наши знания об окружающем мире и понимание его.

 

2. Информация в физике. В физике мерой беспорядка, хаоса для термодинамической системы является энтропия системы, тогда как информация (анти энтропия) является мерой упорядоченности и сложности системы. По мере увеличения сложности системы величина энтропии уменьшается, а величина информации увеличивается. Таким образом, в физике информация рассматривается как анти энтропия или энтропия с обратным знаком.

 

3. Математическая теория информации (американский ученый Клод Шеннон): информативность сообщения характеризуется содержащейся в нем полезной информацией – той частью сообщения, которая снимает полностью или уменьшает неопределенность какой-либо ситуации, т. е. информация – это уменьшение неопределенности наших знаний. Такой подход к информации позволяет ее количественно измерять.

Количество информации

Существует формула, которая связывает между собой количество возможных информационных сообщений и количество информации, которое несет полученное сообщение:

N=2^H

 

Где: N -количество возможных информационных сообщений;

H -количество информации, которое несет полученное сообщение;

 

Отсюда следует формула Хартли (для равновероятностных сообщений), которая позволяет определить количество информации.

H=log2N

 

 

В случае, когда вероятность событий неодинакова, для определения количества информации достаточно для выявления сообщения использовать формулу Шеннона:

 

 

Где: -вероятность того, что система находится в состоянии i;

N -количество возможных состояний;

 

В случае равновероятностных сообщений =1/N, тогда формула Шеннона переходит в формулу Хартли.

В случае равновероятностных сообщений Pi = 1/N, тогда формула Шеннона переходит в формулу Хартли:

 

(22.09.2015) Для количественного выражения любой величины необходимо определить единицу измерения. За единицу измерения количества информации принимается такое количество информации, которое содержится в сообщении, уменьшающем неопределенность знания в два раза. Такая единица называется битом. В примере с монетой сообщение несет 1 бит информации (N= )

 

Рассмотрим информационное сообщение, как последовательность знаков определенной знаковой системы (алфавита).

Ограничений на максимальный размер алфавита теоретически не существует, но есть достаточный алфавит, который содержит практически все необходимые символы (латинские и русские буквы, цифры, знаки препинания, знаки арифметики и т.д.). Этот алфавит содержит 256 символов, т.к. 256 = , то 1 символ содержит 8 бит информации, т.е. 1 байт.

Кратные единицы измерения:

1 килобайт (Кбайт) =

1 мегабайт (Мбайт) =

1 гигабайт (Гбайт) =

1 терабайт (Тбайт) =

 

Математическая теория информации не охватывает всего богатства содержания понятия «информация», поскольку отвлекается от содержательной (смысловой) стороны сообщения.

 

Тема 3.3. Машинные коды.

Для кодирования чисел в компьютерах применяются специальные коды:

1. Прямой код. Изображение двоичного числа x в прямом коде [х]_пр основано на представлении его прямого значения с закодированным знаком: + кодируется нулем, - кодируется единицей.

 

x₁₌1011

x₂₌-11011

x₃₌-0.1101

x₄₌0.1101

[x₁]_пр=01011

[x₂]_пр=111011

[x₃]_пр=1.1101

[x₄]_пр=0.1101

 

Под знак числа практически во всех компьютерах заносятся в старший разряд разрядной сетки. Например, при использовании 8ми разрядной сетки наши числа примут следующий вид:

[x₁]_пр= 00001011

[x₂]_пр= 10011011

[x₃]_пр=1.1101000

[x₄]_пр=0.1101000

 

Прямой код используется в компьютерах для хранения положительных и отрицательных чисел в ЗУ и при выполнении операции умножения.

2. Обратный код числа x обозначается [x]_обр . Обратный код положительного числа совпадает с его прямым кодом. Обратный код отрицательного числа образуется следующим образом: в знаковом разряде записывается единица, в цифровых разрядах единицы заменяются нулями, а нули – единицами.

[x₁]_обр=01011

[x₂]_обр= 100100

[x₃]_обр= 1.0010

[x₄]_обр=0.1101

3. Дополнительный код положительного числа совпадает с его прямым кодом, а дополнительный код отрицательного числа образуется следующим образом: в знаковом разряде записывается единица. во всех цифровых разрядов единицы заменяются нулями. а нули – единицами, к младшему разряду числа прибавляют единицу.

[x₁]_доп=01011

[x₂]_доп=100100+1= 100101

[x₃]_доп= 1.0010+1=1.0011

[x₄]_доп=0.1101

 

Обратный и дополнительные коды позволяют операцию вычитания в ЭВМ заменить операцией сложения, что дает возможность сведения всех арифметических операций к выполнению операции сложения.

Иногда в кодах под знак отводится 2 разряда. Такие коды называют модифицированными.

[x₃]^м_пр=11.1101

[x₃]^м_обр=11.0010

[x₃]­^м_доп=11.0011

[x₄]^м_пр=[x₄]^м_обр=[x₄]^м_доп=00.1101

 

ОРГАНИЗАЦИЯ ЭВМ И СИСТЕМ

(Фоменко Наталья Константиновна)

Литература:

Мышляева И. М. – Цифровая схема – техника (2005г.)